地下水對滑坡穩(wěn)定性的影響探討

楊 松，王福軍

（重慶市地質礦產勘查開發(fā)局107 地質隊，重慶 400000）

1 滑坡穩(wěn)定性與地下水的關系

我國地大物博，水資源豐富。據統(tǒng)計，我國的水資源的總存儲量為2.8 萬億m3左右。為防治水澇洪水災害，促進經濟建設，我國大力建設水利水電工程并取得了輝煌的成就。水利部統(tǒng)計資料表明，2021 年我國已建成各種各樣水庫近10 萬座，水庫數量在世界上排名遙遙領先，目前我國著名的大型水庫有：金沙江流域的烏東德水庫、長江流域的三峽大壩和葛洲壩，黃河流域的龍羊峽水庫、珠江流域的龍灘水庫等，隨著這些水庫的建成使用，區(qū)域內洪澇災害得到了很大程度的緩解，在減少自然災害的同時，水庫充分發(fā)揮了灌溉、發(fā)電、旅游、供水等功能，為社會經濟發(fā)展提供了強勁的動力，是名副其實的民生工程。但水庫大壩在減少洪澇災害的同時由于運行期間不可避免的水位升降對邊坡體造成擾動，進而加劇了邊坡潛在滑坡體復活甚至產生新的失穩(wěn)災害[1]。

通常，滑坡災害是在多種因素共同作用下發(fā)生的，而水-巖土體之間的相互作用是造成岸坡失穩(wěn)的重要原因之一。由于臨水岸坡處水位不斷發(fā)生變化以及大氣降水都會引起岸坡體內地下水位、滲透壓力、滲流場的變化，最終對岸坡體的穩(wěn)定性造成影響誘發(fā)滑坡災害。統(tǒng)計資料表明，發(fā)生在庫水位下降過程的中的滑坡災害約占60%，國內外歷史上記載的水位升降期間發(fā)生的岸坡失穩(wěn)災害也層出不窮。

邊坡失穩(wěn)是在多種因素共同作用下形成的，究其根本原因，通常是邊坡體巖土體抗滑能力減弱，下滑力增大，邊坡發(fā)生滑動演化為滑坡災害。地下水位變化是指水庫在運行期間為滿足防洪、蓄水、灌溉、發(fā)電等運營需求而對地下水位進行調節(jié)，在庫區(qū)流域無強降雨情況下，水庫一般運行水位表現出一定的季節(jié)性特點，當汛期流量大時，水位波動幅度一般都較大，而水位上升、下降都會加劇岸坡老滑坡體的復活以及新滑坡體的形成[2]。

地下水位下降時對岸坡的影響主要表現為對岸坡巖土體的侵蝕浪蝕作用，岸坡體內形成較高水力梯度，以及地下水位對岸坡剝蝕后坡體表面形態(tài)發(fā)生變化加速了巖土體的風化作用。水位上升對岸坡的影響主要表現為飽和部分增加導致重力增加，下滑力變大，隨著岸坡內地下水位的上升，坡體內滲流通道增多，增加了滑坡災害發(fā)生的風險。此外巖土體抗剪強度指標也會隨著含水率的增加而有所降低，不利于岸坡穩(wěn)定性，所以研究水位波動岸坡穩(wěn)定性變化首先要探究岸坡浸潤線變化規(guī)律[3]。

2 地下水對滑坡穩(wěn)定性的影響案例分析

滑坡穩(wěn)定性影響因素中，與地下水直接相關的兩個外界影響因素是庫水位和降雨，二者通過多對地下水位的影響對滑坡穩(wěn)定性造成影響。通過地下水的抬升，對滑帶土產生軟化，增大膨脹力，增大滑坡體自重，增大滲透壓力等物理化學作用，進而導致滑坡失穩(wěn)變形[4]。

2.1 工程概況

某工程位于該地區(qū)的城區(qū)交界處，設計為二級公路，路線全長7.725km。路基的開挖引起多處邊坡變形破壞，其中研究區(qū)滑坡位于公路k2+784—k3+685.075段南側，滑坡的產生主要由于道路開挖導致，坡頂高程約560m，主滑方向約N50E，位于公路的轉彎處。場地所在地區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，溫暖濕潤，四季分明，降水充沛。歷年平均氣溫為17.4℃，最熱月歷年平均氣溫達到28.9℃，最冷月歷年平均氣溫5.3℃。歷年極端最高氣溫40.5℃，極端最低氣溫-4℃。

2.2 工程地質

研究區(qū)滑坡海拔535～560m，原始地表整體坡度在15°～350°。滑坡平面形狀近似馬蹄形，場地植被發(fā)育?；挛鱾韧鈬袛鄬訕嬙?，走向近南北方向，產狀多變。為監(jiān)測邊坡變形過程和坡內地下水水位，在場地內布置了地表變形與水位監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3 水文地質

根據現場勘察，研究區(qū)滑坡的地下水豐富，補給速度較快，水量較大。道路開挖后，邊坡初始水位為最高水位。通過現場的勘測調查，滑坡區(qū)域內的地下水主要為孔隙水，分布在第四系殘坡積土中，含水層厚度大約17～38m，補給來源主要為大氣降水與灌溉回水，以泉水或者側向排泄為主。由于滑坡體松散破碎，為地下水的賦存和流動提供了良好條件。在高地下水位作用下，坡體強度大幅降低，抗滑力大幅下降，極易引發(fā)變形。因此亟需排出坡體的地下水，降低地下水水位，以提高坡體的穩(wěn)定性。

2021 年1 月，通過采取虹吸排水、仰斜式排水等方式，排出坡體地下水。于2021 年3 月14 日再次測量地下水位，得到坡體最低水位信息。

3 地下水監(jiān)測設備及工作原理

滑坡穩(wěn)定性影響因素中，與地下水直接相關的兩個外界影響因素是庫水位和降雨，二者通過多對地下水位的影響對滑坡穩(wěn)定性造成影響。通過地下水的抬升，對滑帶土產生軟化，增大膨脹力，增大滑坡體自重，增大滲透壓力等物理化學作用，進而導致滑坡失穩(wěn)變形。為了研究不同堆積層滑坡不同位置地下水受降雨和庫水位的響應規(guī)律，課題組從2012 年開始持續(xù)在萬州選取變形較大的6 個堆積層滑坡開展了長達9 年的地下水監(jiān)測工作，旨在研究萬州區(qū)堆積層滑坡的地下水響應規(guī)律[5]。

為了分析地下水對滑坡變形的影響，筆者對該滑坡段及附近土體的地表變形、地下水水位變化進行了監(jiān)測。在研究區(qū)坡坡體及外圍布置3 個地表位移監(jiān)測點、3 個地下水位監(jiān)測點。

3.1 降雨量與地下水位

根據現場測量資料，結合監(jiān)測期間場地內日降雨量及地下水埋深變化，監(jiān)測期間出現數次短時間較集中降雨，其中3 月6—8 日降雨最大，日降雨量超過60mm。

課題組于2021 年1 月1 日開始對地下水位進行監(jiān)測，地下水水位埋深逐漸增加，即水位逐漸降低。結合降雨數據可以發(fā)現，歷次降雨之后地下水埋深皆有小幅回落，但很快恢復。

（1）2021 年 1 月 11 日，排水措施開始工作，各點地下水埋深大幅增加。

（2）2021 年 1 月 25—30 日，場地內發(fā)生數次降雨，最大日降雨量達到23mm，各監(jiān)測點地下水埋深出現小幅降低，降雨停止后水位迅速回落。

（3）2021 年 3 月 8 日，場地內發(fā)生強降雨，最大日降雨量達62mm，2 號、3 號點地下水埋深小幅降低，降雨停止后迅速回落。

3.2 地表水平位移

根據地表位移監(jiān)測點情況分析，其中GPS04、GPS05 安裝較早，2021 年 1 月 3 日開始記錄數據；GPS09 安裝較晚，1 月22 日開始記錄數據。監(jiān)測初期，各監(jiān)測點累積位移皆處于持續(xù)增加狀態(tài)，說明滑坡整體發(fā)生變形。2021 年 2 月之后，GPS04、GPS05 記錄的累積位移逐漸平穩(wěn)，表明附近邊坡土體變形減緩。

GPS09 的累積位移變化相對其他監(jiān)測點較大，其中位移在N 方向分量較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；在E 方向分量較大，且持續(xù)增加。在1 月25 日與1 月31 日，場地內發(fā)生多次降雨，最大日降雨量達23mm，GPS09的E 方向位移分量明顯增加，位移速率加快。

2 月5 日之后，由于地下水排出，水位降低，GPS09東方向位移速率明顯放緩，說明地下水對滑坡西北部分的變形作用影響較大，應進一步通過穩(wěn)定性分析研究地下水對滑坡穩(wěn)定性的作用。

4 穩(wěn)定性分析

4.1 計算方法及參數選擇

道路邊坡的穩(wěn)定性分析采用Geostudio 的Slope 模塊進行，該模塊在進行邊坡穩(wěn)定性分析中占有重要的地位，是滑坡穩(wěn)定性計算領域的專業(yè)軟件。其計算原理是應用極限平衡理論對單一邊坡的穩(wěn)定性系數進行計算。在計算時，可建立多種計算模型，然后輸入計算參數分析邊坡的穩(wěn)定性[6-8]。

研究區(qū)滑坡體為第四系殘坡積土構成，部分夾雜少量碎塊，下層深部為奧陶系的基巖。根據該地區(qū)地質勘察報告，結合工程地質手冊及反演分析結果，穩(wěn)定性分析中采用的土體主要參數見表1。

表1 土體主要參數

以初始狀態(tài)水位為最高水位，以2021 年1 月2 日測得水位為最低水位，在最高水位與最低水位間從高到低另取3 個水位值，共計5 種水位工況，采用完全相同的方法在各種工況下分別計算該邊坡的穩(wěn)定性系數，達到控制變量效果。

4.2 穩(wěn)定性計算結果

（1）計算剖面選?。航Y合相關數據資料，選取滑坡典型剖面，在從高到低的5 種水位工況下，采用M-P 極限平衡法進行穩(wěn)定性計算，所有5 個工況穩(wěn)定性分析結果（安全參數）見表2。

表2 工況穩(wěn)定性分析結果（安全系數）

（2）安全系數計算結果：分別計算出5 種工況下的邊坡穩(wěn)定性系數，如表2 所示。圖1 為穩(wěn)定性系數-坡體水位曲線。

圖1 穩(wěn)定性系數-坡體水位曲線

如圖1 所示，從地下水位與邊坡穩(wěn)定性系數的關系曲線可以看出：①隨著地下水位的降低，穩(wěn)定性系數顯著增加，說明邊坡穩(wěn)定性受到地下水影響較大，及時排出地下水十分重要。②工況5 對比工況4，水位降低但是穩(wěn)定系數不再增加，說明當坡體水位比工況4 低時，地下水不再主導變形。③工況4、工況5 中邊坡的穩(wěn)定性系數仍舊較低，說明該邊坡的穩(wěn)定性儲備不高，尚處于極限平衡狀態(tài)。

5 結語

（1）從監(jiān)測數據可見，隨著地下水水位降至最低，坡上各點的變形速率明顯減緩，說明滑坡地下水水位對滑坡變形影響較大，控制地下水位能明顯減小變形速率。

（2）在5 種不同水位工況下對滑坡的穩(wěn)定性分析顯示，最高水位下滑坡安全系數為0.868，最低水位下滑坡安全系數為l.015，工況1～3 中滑坡穩(wěn)定性系數隨水位降低有明顯增加，可見滑坡地下水水位變化對坡體的穩(wěn)定性影響較大。

（3）水位降低至工況4 水位以下時，穩(wěn)定性系數為1.015，不再隨水位降低而增加，說明該邊坡穩(wěn)定性儲備不高，單獨依靠降水無法完全滿足施工安全要求，仍需要進一步采取加固。